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3D打印出最強的輕質材料之一
時間 : 2019-03-28 11:54 瀏覽量 : 32

導讀

美國麻省理工學院的研究小組用多材料3D打印技術制出了最強的輕質材料之一。通過壓縮和熔化石墨烯片,他們創造出一種密度為鋼的5%、強度為鋼的10倍的材料。

研究人員通過對石墨烯片進行熱和壓力的壓縮,他們最終得到一種堅固穩定、像珊瑚的結構。

隨即,科學家們發現:正是這種不尋常的、類珊瑚形狀,使得壓縮后的石墨烯變得如此之強,而不是材料本身的性質。

因此,通過在塑料等其他更便宜的材料上復制這種3D形式,科學家可以更低的成本實現類似于石墨烯的強度。

當把石墨烯結構壓縮至極限時,研究人員發現他們得到了一種令人難以置信的堅固材料,其密度為鋼的5%,但強度卻是鋼的10倍。

通過分析壓縮后的石墨烯片的幾何排列,研究人員能用3D打印機部分重現這種最強材料。

石墨烯有如此優良特性,它會替代鋼鐵嗎?

石墨烯的熱度在不斷上升

自2004年康斯坦丁博士通過膠帶從石墨上分離出石墨烯以來,石墨烯的話題就在不斷升溫。

近些年,各類媒體的報道終于將石墨烯推向了話題的風口浪尖——醫療、地產、汽車、計算機、生物等行業都與此有關。

一時間,石墨烯幾乎成為了前沿科技的代名詞,貌似在對外宣傳時不搭上石墨烯就不算高科技產業。

石墨烯為何如此之火,真的會成為繼“煤炭、鋼鐵、硅”之后人類的第四大材料嗎?

讓現實發展給我們答案吧。

第一種由單層原子構成的材料

碳原子之間相互連接成六角網格。鉛筆里用的石墨就相當于無數層石墨烯疊在一起,而碳納米管就是石墨烯卷成了筒狀。

由于碳原子之間化學鍵的特性,石墨烯很頑強:可以彎曲到很大角度而不斷裂,還能抵抗很高的壓力。

而因為只有一層原子,電子的運動被限制在一個平面上,為它帶來了全新的電學屬性。

石墨烯在可見光下透明,但不透氣。這些特征使得它適合作為保護層和透明電子產品的原料。

石墨烯的出現不亞于一次小型的能源革命

石墨烯特殊的物理結構為其帶來了優良的導電性與導熱性,因此也是世界上電阻率最小的材料。

所以,使用石墨烯制作的電池能量密度將高達600Wh/kg,而目前最先進的鋰電池也僅為180Wh/kg。

比如,石墨烯電池可以充電5分鐘,通話24小時。

再加上石墨烯電池相對于傳統鋰電八分之一重量和兩倍壽命,聯想一下現在手機、電動汽車等行業的發展瓶頸……

在未來最值得期待的領域——生物工程領域,石墨烯或成為超級明星。

美國博伊西州立大學發表了一篇《石墨烯泡沫為肌管生長提供三維平臺》的文章,研究了石墨烯泡沫在肌肉組織中的應用。

結果表明石墨烯泡沫,適宜作為生長官能肌肉組織的支架材料。

石墨烯本身是一種薄的碳層,所以被認為是二位的平面材料,然而石墨烯泡沫是以石墨烯為原料3D石墨烯。

最終,研究人員把石墨烯和石墨烯泡沫的獨特性能,用在人體器官再生上。

過去的研究已經證實了可以在石墨烯泡沫上生長骨和軟骨,但這只是石墨烯泡沫與肌肉生長 相容性的第一歩研究。

博伊西州立大學的材料科學與工程學院助理教授埃斯特拉達:“我們希望能通過這些結果調查生命基本的化學變化,來向臨床應用推進?!?/span>

未來通過石墨烯泡沫這種新型材料,可能會成為控制肌肉的開關,和控制肌肉的神經類似,為殘疾人帶來福利也可能不會是空想了。

光是最神秘的一種東西,而對于一種新的產生光的方式,將無人不予以跪拜。

美國麻省理工學院研究人員已經發現了類似飛機超過音速時產生音爆的過程:電荷流過石墨烯,在某種情況下,能超過減慢了的光速,形成一種光“爆”,一種強烈聚焦光束。

這種全新的將電能轉化為可見光輻射方式是高度可控的,并且快速有效。

研究人員表示,這種方式可能會帶來各種新的應用。

研究人員表示:“石墨烯能通過我們稱之為表面等離子體的方式捕獲光。等離子體是代表了表面電子振蕩的虛擬粒子。

這些穿過石墨烯的等離子體的速度比在自由空間光的速度慢幾百倍?!?/span>

這種特性也為石墨烯產生相反的效果提供了可能性:形成光而不是捕獲光。

許多科學研究向我們展示了石墨烯的驚人特征,但有一個陷阱。

這些美妙的特性對樣品質量要求非常高。要想獲得電學和機械性能都最佳的石墨烯樣品,需要費時、費力、費錢的手段:機械剝離法——先用膠帶粘到石墨上,再手工把石墨烯剝下來。

莫笑,2004年諾沃肖洛夫他們就是這么制備出石墨烯的。

雖然技術含量不高,但問題是成功率也不高,弄點兒樣品做研究還可以,工業化生產?

哪怕擁有全世界的石墨礦,一天又能剝下來幾片……

難道只能用膠帶一遍又一遍的粘么?

當然現在我們也有很多其他方法來增加產量、降低成本。

液相剝離法:把石墨或者類似的含碳材料放進表面張力超高的液體里,然后超聲轟炸把石墨烯“雪花”炸下來。

化學氣相沉積法:讓含碳的氣體在銅表面上冷凝,形成的石墨烯薄層再剝下來;

直接生長法:在兩層硅中間直接設法長出一層石墨烯來。

還有化學氧化還原法:靠氧原子的插入把石墨片層分離,如此等等。

麻煩之處在于,使用這些辦法,產品質量又不能保證??梢哉f,方法有很多,也各自有各自的適用范圍,但是迄今為止還沒有真的能適合工業化大規模推廣生產的技術。

石墨烯的“泡沫化”隱憂

幾年時間里,石墨烯就已在國內以迅猛之勢發展起來,不覺讓人們驚奇石墨烯產業發展速度之快、產品性能之好。

但是在這些“光環”和驚奇的背后,也不禁使人質疑。

石墨烯產業目前來說是先導領域,還沒真正形成自己的產業,發展背后還存在著一定的困難和問題。

目前石墨烯產業的這種“紅火”現象也透露出了資本的過度炒作。

石墨烯概念炒得太火,某些新聞缺乏客觀性,導致相關部門或企業對于石墨烯的認識存在誤區,造成一種好像很簡單,“短平快”一夜暴富的氛圍。

甚至有人至今仍然搞不清楚石墨烯與石墨的區別。

毫無疑問,石墨烯會在未來發揮巨大的作用。

未來很美好,路還是要一步一步的走。特別是在這個到處充滿急功近利的年代,泡沫無處不在。

經過幾年發展,我國石墨烯產業基本形成以江蘇省為聚合區,其它多地碎片化存在的產業格局。

據統計,我國石墨礦儲量占世界總儲量的75%,生產量占世界總產量的72%,是我國少有的幾種具有國際競爭優勢的礦產之一。

我國在石墨烯制備、手機觸摸屏、鋰離子電池以及復合材料等領域都取得了一定的研究成果,在一些領域處于國際先進水平。

目前,我國一些石墨烯龍頭企業發展水平位居世界前列。

長期以來,有著“黑金子”之稱的石墨烯主要在實驗室以克為單位小批量生產,每克售價高達5000元。

常州第六元素材料科技股份有限公司2013年開發出國內首條大規模宏量制備、全自動控制的粉體石墨烯生產線,年產能達100噸,致使石墨烯價格下降為每克1~3元,讓石墨烯大規模工業化應用成為可能。

產業發展亮點頻現的同時,一些急功近利現象值得警惕。

當下,全國鼓勵發展新材料產業,石墨烯成為其有力支撐,加之其巨大的商業價值,政企高漲的投資熱情致使大批資金流向石墨烯領域,行業規模急速膨脹,“泡沫化”傾向初顯。

除江蘇外,重慶、寧波、青島、德陽、河北、北京等地亦在布局石墨烯產業。

重慶將石墨烯列為十大戰略性新興產業之一,寧波發布了《寧波市石墨烯技術創新與產業中長期發展規劃(2014~2023)》,目標在10年內將石墨烯產業打造成為具有千億元級產值規模的優勢與特色產業。

據《經濟參考報》報道,在去產能方面,除了煤鋼產業,其他行業落后產能也將進入去產能名單,包括汽車、新能源、石墨烯等行業的落后產能或將入列。

部分專家認為,現下的石墨烯熱與當年的造船、光伏投資沖動如出一轍,反映出企業和政府根深蒂固的投機性。

一位石墨烯企業負責人甚至直言,這固然有企業家的盲目,但更多是地方政府的GDP沖動,背后蘊藏著“泡沫化”風險不容小視。


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